НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ БИБЛИОТЕКА Ю. М. КУШНИР
кандидат физико-математических наук ОКНО В НЕВИДИМОЕ (ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП)
ОГИЗ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ТЕХНИКО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ МОСКВА 1948 ЛЕНИНГРАД
Электронный микроскоп (Ю.М. Кушнир)
ВВЕДЕНИЕ
Есть такие приборы, которые дают увеличенное изображение предметов. Самый простой из них увеличительное ст е к л о или лу па . Глядя в лупу, часовщик, например, хорошо видит мельчайшие винтики и колесики часового механизма, так как они кажутся ему раз в 10 – 20 больше.
Есть и более сложные увеличительные приборы, которые позволяют видеть ещё более мелкие частицы. Эти приборы называются опт и ч е с к и м и микр оскопами (слово «микроскоп» произошло от двух греческих слов
«скопо» – смотрю и «микрос» – малый). Микроскопы состоят не из одного, а из нескольких увеличительных стёкол. Эти приборы дают увеличение до 2000 раз. При помощи микроскопов врачи видят возбудителей разных болезней – микробов; физики изучают под микроскопом строение различных материалов.
Совсем недавно, в 1932 году, был изобретён новый увеличительный прибор – электронный микроско п . Такое название этот прибор получил потому, что в нём используются не световые , а электронные лучи, т. е. быстро летящие мельчайшие частички отрицательного электричества – электроны .
Этот новый замечательный прибор оказался сильнее, чем самые совершенные оптические микроскопы. Электронный микроскоп позволил увидеть в сто раз более мелкие частицы, чем те, которые были видны в самые сильные оптические микроскопы. С помощью электронного микроскопа учёные увидели мельчайших возбудителей опасных болезней человека, животных и растений – так называемых фильтрующихся вирусов, увидели отдельные крупные молекулы и многое другое. Электронный микроскоп приоткрыл людям завесу над дотоле таинственным миром невидимого. Он помогает врачам и биологам находить виновников многих болезней и успешно бороться с ними. Он даёт возможность физикам и инженерам воочию видеть те важные изменения, которые происходят в металлах при их закалке, отжиге, механической обработке и других технологических процессах. Наконец, при помощи электронного микроскопа химики узнают секреты строения различных органических и неорганических материалов, действие веществ, ускоряющих химические реакции, так называемых катализаторов, и многое, многое другое.
Как устроены электронные микроскопы, почему они оказались сильнее оптических и что удалось увидеть при их помощи – об этом и рассказывается коротко в нашей книжке.
УГОЛ ЗРЕНИЯ
В чём заключается секрет действия лупы и микроскопа? Почему, благодаря им, невидимое становится видимым?
Чтобы ответить на этот вопрос, познакомимся с одной интересной особенностью человеческого глаза.
Посмотрите на какой-нибудь удалённый предмет; например, на высокую заводскую трубу. Хотя труба находится далеко, вы видите, что у основания труба шире, а у вершины – уже. Но кирпичей, из которых сложена труба, вы не видите: вся труба кажется сплошной и однородной. Подойдите теперь к трубе ближе. Чем меньше расстояние, отделяющее вас от трубы, тем большее количество деталей вы в ней увидите. Вот вы ясно различаете отдельные кирпичи, а подойдя совсем близко к трубе, вы обнаруживаете, что кирпичи, которые издали казались все одинаковыми, имеют на самом деле различные размеры, их поверхность испещрена царапинами и трещинами.
Посмотрите теперь на рисунок 1. На нём изображены лучи, идущие от краёв рассматриваемого предмета – трубы – к центру зрачка вашего глаза. Лучи образуют друг с другом угол, тем больший, чем больше предмет и чем ближе он к вам находится. Этот угол
называется углом зрения .
Очевидно, что угол зрения, под которым видна вся заводская труба, куда больше, чем угол зрения, под которым виден, скажем, один кирпич этой трубы. Понятно и то, что чем ближе вы подойдёте к трубе, тем больше будет угол зрения, под которым видна труба. Выходит, что если угол зрения очень мал, то человеческий глаз не может различать
мелкие детали предмета.
Известно, что если угол зрения делается меньше 1 минуты, то весь рассматриваемый предмет кажется человеку с нормальным зрением точкой, т. е. глаз не может различать деталей предмета.
Чтобы ясно себе представить, что такое угол в 1 минуту, вообразите две маленькие светлые точки, находящиеся друг от друга на расстоянии в одну десятую долю миллиметра и удалённые от глаза на 25 сантиметров. Угол зрения, под которым видны эти точки, и будет равным 1 минуте. Стоит только этим точкам удалиться от глаза дальше, чем на 25 сантиметров, как угол зрения станет меньше 1 минуты и обе точки будут казаться уже слившимися.
Итак, желая рассмотреть в предмете как можно больше подробностей, надо увеличить угол зрения, под которым его рассматривают.
Как же это можно сделать?
ЛИНЗЫ НА ПОМОЩЬ ГЛАЗУ
На примере заводской трубы вы убедились, что самый простой способ увеличить угол зрения – это приблизиться к предмету. Рассматривая небольшие частицы, можно придвинуть поближе к глазу сами частицы. Однако такой простой способ увеличения угла зрения имеет свои границы. Каждый знает, что даже очень близорукий человек не придвигает рассматриваемые им предметы к самому глазу. Нормальный же человеческий глаз, если к нему поднести предметы ближе чем на 25 сантиметров, сильно утомляется, а начиная с 10 сантиметров вообще перестаёт видеть их резко. Получается, что увеличивать угол зрения, сокращая расстояние, можно только до дистанции в 25 сантиметров. Это расстояние называется расстоянием на илучшего зрения . На таком удалении человек, обладающий
нормальным зрением, держит от себя при чтении книгу или газету.
Но если нельзя особенно сильно увеличить угол зрения, приближая предмет к глазу, то может быть это можно сделать путём увеличения видимых размеров предмета? Можно. Это и делается с помощью увеличительных стёкол или, как их ещё называют, линз . Конечно, они не увеличивают самих предметов, но дают их увеличенные изображения. А давая увеличенное изображение предметов, оптические линзы искусственным путём увеличивают наш угол зрения, под которым видны эти
предметы. Тем самым увеличительные стёкла позволяют видеть такие подробности, которые без помощи линз ускользнули бы от нашего глаза.
В увеличении угла зрения и заключается секрет действия таких оптических приборов, как лупа, бинокль или микроскоп.
На рисунке 2 показано увеличивающее действие самой простой стеклянной линзы, – двояковы пук л о й . Обе поверхности этой линзы представляют собой выпуклые шаровые поверхности. Для
простоты на рисунке изображены только две крайние точки предмета. Вы видите, что световые лучи, выходящие из каждой точки предмета расходящимся пучком, после прохождения линзы снова собираются в точки. При этом, однако, точки изображения расположены друг от друга уже дальше, чем соответствующие точки самого предме та . Размер изображения делается больше размера предмета. Поэтому угол зрения, под которым будет видно изображение предмета, будет больше угла зрения, под которым был виден сам предмет с того же расстояния.
Теперь ясно, в чём заключается роль увеличительных стёкол, или линз.
СЕКРЕТ МИКРОСКОПА
На рисунке 3 изображён ход лучей в современном оптическом микроскопе, дающем значительно большее увеличение, чем простое увеличительное стекло.
Микроскоп состоит из трёх линз. Первая линза предназначена для освещения предмета. Она собирает (конденсирует) лучи, идущие от источника света, и направляет их на рассматриваемый предмет сильным сосредоточенным пучком. Эта линза называется конденсор н ой . Вторая линза микроскопа называется объектив ной линзой или просто объектив ом (от слова «объект», что значит
«предмет», – так как объективная линза обращена к рассматриваемому предмету). Объектив увеличивает изображение предметов в 50 – 100 раз. Для очень малых предметов такого увеличения недостаточно. Поэтому изображение, даваемое объективом, надо увеличить ещё раз. Для этой цели служит третья линза микроскопа – проекционная .
Если объектив увеличивает предмет в 50 раз, а проекционная линза, в свою очередь, увеличивает это изображение ещё в 20 раз, то общее увеличение микроскопа равняется произведению этих двух увеличений, т. е. микроскоп будет увеличивать предметы в 1000 раз. В такой микроскоп можно увидеть частицу, размер которой равен всего двум стотысячным долям сантиметра! Изображение этой частицы будет иметь размер 0,02 сантиметра.
Микроскоп открыл человеку новый и удивительный мир. Учёные самых различных профессий неустанно направляли линзы микроскопа на всё новые и новые предметы. Мы не будем рассказывать здесь историю оптического микроскопа. Скажем только, что в конце прошлого века, спустя примерно 300 лет после изобретения первого микроскопа, стало ясно, что в него нельзя увидеть частицы размером меньше двух стотысячных долей сантиметра. Этот вывод был удивителен!
В самом деле, если увеличения, даваемого двумя линзами, мало, то что нам мешает взять три, четыре и больше линз? Ведь каждая новая линза будет увеличивать изображение предмета сильнее и сильнее. Не откроются ли таким образом наблюдателю самые сокровенные тайны мира невидимого? Не увидит ли он, наконец, те «кирпичи», из которых состоят все вещества, не увидит ли он атомы и молекулы?
Однако причина ограниченности оптического микроскопа заключается совсем не в числе и не в качестве линз микроскопа. Она заключается в природе света.
ЧТО ТАКОЕ ДИФФРАКЦИЯ СВЕТА
Посмотрите на широкую водную поверхность, на волны, бегущие по ней ровными грядами. Что происходит, когда на пути волн встречается какое-либо препятствие, скажем, большой камень, возвышающийся над водой? Когда размеры этого камня во много раз больше длины волны , т. е. больше расстояние между двумя соседними гребнями или впадинами волн, вы видите, что волны разбиваются о камень, и позади него поверхность воды спокойна и невозмутима. Можно сказать, что камень отбрасывает позади себя своеобразную «тень».
Но вот недалеко от камня, в стороне, возвышается тонкая, длинная свая, вбитая в дно. Поперечник сваи гораздо меньше длины волны. И свая не мешает распространению волн. Она не отбрасывает позади себя никакой «тени». Волны легко огибают сваю и продолжают бежать дальше, словно не замечая её. Это явление огибания волнами препятствий называется диффракцией .
Явление диффракции имеет место и в мире света. Ведь свет – это тоже волны. Только в них колеблются не частицы воды, а электрические и магнитные сил ы . Поэтому световые волны называют также электром агнитным и .
То, что мы называем лучами света, и есть не что иное, как направление распространения электромагнитных
волн.
Световые волны имеют очень маленькую длину. Самые «длинные» из них – волны красного света. Они имеют
длину всего в восемь стотысячных долей сантиметра. Самые «короткие» волны – волны фиолетового света – их длина четыре стотысячных доли сантиметра.
Как и у волн на воде, диффракция световых волн делается заметной лишь тогда, когда размеры препятствий становятся близкими к длине световой волны. Но так как длина световых волн очень мала, то для них даже маленькая дробинка является большим телом. Поэтому при освещении дробинки позади неё образуется вполне заметная тень. Но если бы размер дробинки делался всё меньше и меньше, то диффракция света давала бы себя знать всё сильнее и сильнее, и тень дробинки становилась бы всё менее и менее заметной.
Изучение явления диффракции волн показало, что в том случае, когда размер тела, стоящего на пути волн, равен, примерно, половине длины волны, волны полностью обходят это тело, не давая позади него никакой заметной тени.
Вспомните теперь, что самая короткая волна видимого света принадлежит фиолетовому свету и имеет длину в четыре стотысячных доли сантиметра. Это значит, что световые волны полностью обогнут частицу, размер которой меньше двух стотысячных долей сантиметра. Рассматривая такую частицу в обычный микроскоп, вы просто не обнаружите её присутствия. Правда, частицы, размером меньше половины длины световой волны, могут быть обнаружены в так называемый ультрам икроскоп , в котором используется сильное боковое освещение рассматриваемых частичек (вспомните, например, мельчайшие частицы пыли, которые делаются видимыми со стороны, когда в комнату проникает яркий солнечный луч!). Но и в этом случае частицы видны лишь в виде ярких светлых точек, о форме и строении которых нельзя сказать ничего определённого.
Таким образом никакие оптические микроскопы, содержащие какое угодно число линз, но работающие с лучами видимого света, не помогут вам изучить форму и строение частицы размером меньше двух стотысячных долей сантиметра. Это значит, что в оптические микроскопы можно хорошо видеть бактерии. Но увидеть в микроскоп мельчайших возбудителей болезней, так называемых фильтрующихся вирусов, уже нельзя. Нельзя при его помощи и изучать во всех деталях внутреннее строение бактерий, увидеть мельчайшие частицы вещества.
РАЗРЕШАЮЩАЯ СИЛА ОПТИЧЕСКИХ МИКРОСКОПОВ И ПОЛЕЗНОЕ УВЕЛИЧЕНИЕ
Вы убедились, что диффракция света ограничивает нашу возможность видеть сколь угодно мелкие частички. Размер той наименьшей частицы, которую ещё позволяет увидеть микроскоп, называют его разреш аемым расстоянием , или просто разрешением . Чем меньше разрешаемое расстояние, т. е. чем меньше размер частицы, которую можно увидеть в микроскоп, тем, как говорят, больше его ра зрешающая сил а .
В самом лучшем случае, как мы уже говорили, разрешаемое расстояние равно половине длины волны света,
которым освещается предмет. Это, однако, достигается только тогда, когда пользуются очень хорошими линзами. Если же линзы недостаточно совершенны, то разрешающая сила микроскопа делается меньше, и в него можно различить
лишь частицы, размер которых много больше, чем длина волны света. Происходит это потому, что в несовершенных линзах лучи, падающие на края линзы, пересекаются ближе к линзе, чем лучи, упавшие на центральную её часть. Это явление называется сф ерической аберрацией . В результате этого явления изображение предмета получается расплывчатым. Светящаяся точка, например, изобразится кружком (рис. 4). Так как всякий предмет состоит из многих точек, то в изображении кружки накладываются друг на друга. Изображение предмета получается нерезким, а это
приводит к потере разрешающей силы.
Точка изображается кружком и по другой причине. Эта причина в том, что в несовершенных линзах лучи разного цвета испытывают различное преломление. Это явление носит название хроматич еской аберрации («хрома» по-гречески значит
«цвет») (рис. 5).
Теперь оптики умеют изготовлять линзы без сферической и хроматической аберраций. Однако как уже было замечено, даже и в этом случае даёт себя знать диффракция света, устранить которую невозможно.
После всего сказанного ясно, почему повышение увеличительной силы микроскопа может оказаться бесполезным: хотя наблюдатель, увеличивая число линз в микроскопе, и будет видеть большое изображение предмета, но он всё равно не сможет различить в нём те детали, размер которых меньше, чем разрешаемое расстояние.
Условились поэтому оценивать микроскоп так называемым полез н ым увеличе н ие м . При полезном увеличении частица, размер которой равен разрешаемому расстоянию, должна стать уже видимой глазу. А это значит, что размер увеличенного изображения частицы должен стать равным 0,2 миллиметра, так как величина в 0,2 миллиметра уже хорошо видима для глаза на расстоянии наилучшего зрения.
Так как разрешаемое расстояние у лучших оптических микроскопов, работающих на лучах видимого света, равно двум стотысячным долям сантиметра, то их полезное увеличение может быть не больше тысячи. В самом деле, увеличьте частицу размером в две стотысячных доли сантиметра в тысячу раз и вы получите её изображение размером в 0,02 сантиметра или в 0,2 миллиметра. И если, увеличивая число линз оптического микроскопа, вы поднимете его увеличение до десяти тысяч или даже до ста тысяч раз, это не откроет вам в предмете ничего нового по сравнению с увеличением в тысячу раз. Единственное преимущество таких больших увеличений – это возможность показать изображение в большой аудитории. Да и это возможно лишь при условии, если изображение получается достаточно ярким.
Итак, самые совершенные, самые сильные микроскопы не помогут увидеть частицы размером меньше половины длины волны света, которым освещается предмет. Сам свет как бы ревниво оберегает от нас тайны мира невидимого. Выходит, что, желая проникнуть в тайны этого мира, нужно вооружиться волнами куда более короткими, чем волны видимого света. Например, чтобы рассмотреть молекулы водорода, потребовались бы волны в тысячи раз более короткие, чем волны видимого света. Где же взять такие волны? Очень соблазнительной была возможность использовать для этой цели рентгеновские лучи. Ведь их волны в сотни и тысячи раз короче световых волн. Однако для проникающих рентгеновских лучей не существует веществ, в которых они преломлялись бы так же, как преломляются в стеклянных линзах световые лучи. Построить же микроскоп без линз – дело трудное.
Казалось, что попыткам человека проникнуть в сокровенные тайны мира невидимого никогда не суждено будет сбыться. Однако неожиданная помощь пришла оттуда, откуда её ещё лет двадцать пять назад никто не ожидал. На помощь пришли электроны!
ЭЛЕКТРОНЫ
Каким же образом электроны, эти мельчайшие частицы отрицательного электричества, смогли заменить собой свет? Ведь свет – это волны, а электроны являются крошечными частицами размером в 1/10 000 000 000 000 долю сантиметра. Размер этих шариков в десятки тысяч раз меньше размеров атома! Чтобы понять, каким образом можно получить изображение предметов, «освещая» их не волнами, а частицами, посмотрите на рисунок 6. Здесь, на левой части рисунка, показано теневое изображение руки, полученное при помощи световых лучей. На правой стороне этого же рисунка видно теневое изображение той же руки, полученное при помощи потока сыплющихся сверху частиц песка.
Значит, здесь поток песчинок заменяет собой поток световых лучей.
Чтобы форма предмета, «освещаемого» лучами, состоящими из частиц, получалась правильной, нужно, чтобы размеры частиц были малы по сравнению с размерами предмета. Нельзя, например, воспроизвести «тень» руки,
«освещая» её не мелкими песчинками, а крупной галькой.
Именно такими мельчайшими «песчинками», годными для получения изображения даже очень мелких предметов, и являются электроны. По сравнению с ними любые, даже самые мельчайшие частицы вещества, даже атомы и молекулы, представляются гигантами.
Однако возникают вопросы: можно ли получать сильные пучки электронных лучей? Можно ли видеть электроны и тени предметов, освещенных электронными лучами? Могут ли электроны отражаться от предметов и проходить через них
насквозь? И, наконец, могут ли преломляться электронные лучи так, как преломляются световые лучи в стеклянных линзах?
На все эти вопросы мы сейчас и постараемся ответить.
ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛУЧИ
Откуда, из какого источника можно взять электроны? Электроны являются составной частью атомов всех элементов. Кроме того, в металлах находятся свободные, не связанные с атомами электроны. Но нельзя ли электроны, находящиеся внутри металла, освободить из «плена» и выпустить наружу? Можно. Для этого нужно только накалить металлическую проволочку хотя бы при помощи электрического тока. Тогда электроны начнут как бы «испаряться» с поверхности проволочки и разлетаться во все стороны. Именно такое «испарение» электронов происходит, например, с металлического волоска электрической лампочки, когда волосок раскалён электрическом током.
Это явление излучения электронов при накаливании тел получило название термоэле ктронной эмиссии («эмиссия» значит «испускание»). Испусканием электронов из проводников при нагреве и пользуются для получения электронных лучей.
Взгляните теперь на рисунок 7. На нём изображена специальная трубка, предназначенная для получения электронных лучей. Её называют электронно - лучево й трубкой. Воздух из трубки выкачан. Электроны вылетают здесь из тонкой металлической проволоки, которая накаливается током от 1-й электрической батареи. Эта проволочка сделана из вольфрама – металла, выдерживающего очень высокие температуры. Чем сильнее накаливается проволочка, тем больше электронов она
испускает. Вылетевшие электроны попадают в пустое пространство, в котором действуют значительные электрические силы. Эти силы создаются специальным источником высокого напряжения – 2-й батареей. Отрицательный полюс этой батареи присоединён к накаливаемой нити, которая, таким образом, служит ка тодом , а положительный – к специальной пластинке с отверстием посередине, впаянной в трубку. Пластинка является ано д ом . Так как электроны
– это частицы отрицательного электричества, то они отталкиваются от нити – катода и притягиваются к пластинке – аноду. Такой источник электронов называют «электронной пушкой». Так как воздух из электронно-лучевой трубки выкачан, то весь путь от катода до анода электроны пролетают ни с чем не сталкиваясь. И как шары, катящиеся с горы, приобретают у её подошвы большую скорость, так электроны приобретают большую скорость у Конца «электрической горы» – у анода. Чем выше «электрическая гора», с которой «скатываются» электроны, т. е. чем выше электрическое напряжение между катодом и анодом, тем большую скорость электроны получают.
Скорости электронов в электронно-лучевой трубке огромны. Достаточно, например, ускорить электроны электрическим напряжением всего в 4,5 вольта (т. е. напряжением от батареи карманного электрического фонаря), как электроны приобретут скорость в 1 260 километров в секунду. Если же на электроны подействовать электрическим напряжением в 50 000 вольт, то их скорость возрастёт до трудно вообразимой величины – в 124 000 километров в секунду!
Для краткости принято говорить, что электроны обладают скоростью, например, в тысячу вольт – это означает, что их разогнало электрическое напряжение в тысячу вольт.
Что же происходит с электронами, «падающими» с такими большими скоростями на пластинку – анод?
Одни из них упадут на сплошную стенку анода, проникнут в глубь металла и смешаются с электронами металлической пластинки.
Зато другая часть электронов не столкнётся с анодной пластинкой, а проскользнёт через имеющееся в ней отверстие. Пройдя это отверстие, электроны будут лететь уже по инерции – как движутся по ровной поверхности шары, скатившиеся с горы – пока не столкнутся с дном трубки. Этот поток быстро летящих электронов и представляет собой пучок электронных лучей (на рис. 7 видно также, что электронный луч, выйдя из отверстия анода, проходит между двух пластинок, которые составляют так называемый пл оский ко нде н сатор ; с его помощью можно изменять направление электронного луча. Об этом будет рассказано дальше).
Падая на стеклянное дно трубки, электроны заставляют его светиться красивым зеленоватым светом. Это свечение – результат действия налетающих электронов на электроны атомов стекла. Такое свечение называется флюорес ценцией . Таким образом благодаря флюоресценции можно отчётливо видеть место падения невидимых глазу электронов на стекло. Но ещё лучше, чем стекло, флюоресцируют под действием электронов некоторые специальные составы, например, вещество сер н ист ы й цинк или минерал виллеми т . Слоем этих составов и покрывают дно электронно-лучевой трубки. Такие составы светятся под действием электронной бомбардировки ярким зелёным или синим цветом. Яркость свечения флюоресцирующего экрана зависит от скорости электронов и от числа электронов, падающих на экран за время одной секунды. Таким образом по свечению экрана можно не только узнать, куда падает поток электронов, но и определить, в какое место попадает больше электронов, а в какое – меньше.
ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП БЕЗ ЛИНЗ
Теперь вы можете легко понять, как получают при помощи электронов изображения. Для этого в трубке, похожей по устройству на трубку, изображённую на рисунке 7, помещают на пути расходящегося пучка электронных лучей какое- либо непрозрачное для них препятствие, например, металлическую звезду. И тогда на флюоресцирующем экране
получается её резко очерченная тень. Стоит убрать препятствие с пути электронов, как тень исчезает. Так при помощи электронов можно получать изображения, похожие на те, которые изображены на рисунке 6.
Эти изображения можно не только видеть, но и фотографировать. Для этого нужно только расположить фотопластинку возле флюоресцирующего слоя или же дать возможность электронам падать непосредственно на фоточувствительный слой. Оказывается, электронные лучи производят такое же фотографическое действие, как и световые лучи. Почернение на негативе будет больше в тех местах, куда упало больше электронов.
Посмотрите теперь на рисунок 8. На нём изображён электронный микроскоп без линз. Этот прибор уже позволяет видеть увеличенное изображение предмета, испускающего электронные лучи. На рисунке предмет, испускающий электронные лучи, представляет собой тонкую металлическую проволочку, натянутую вдоль оси стеклянной цилиндрической трубки. Проволочка накаливается электрическим током. Между проволочкой и стенками трубки, покрытой тонким прозрачным слоем металла и поверх него флюоресцирующим веществом, приложено высокое электрическое напряжение. Электроны, вылетающие из проволочки, падают на флюоресцирующий слой стеклянной трубки. При этом из разных участков нити, вследствие неоднородности её строения, вылетает различное количество электронов. Благодаря этому на флюоресцирующем экране получается изображение нити. Электроны как бы переносят на флюоресцирующий слой изображение поверхности нити.
Электронное изображение нити будет сильно увеличенным – во столько раз, во сколько поверхность флюоресцирующего слоя больше поверхности нити.
Взяв вместо нити тончайшее остриё, помещённое в центре большого стеклянного шара (внутренние стенки которого были покрыты флюоресцирующим веществом), учёным удалось получить изображение острия, испускающего электроны, увеличенное в миллион раз!
Теневые электронные изображения и изображения предметов, испускающих электроны, полученные без помощи линз, – это ещё далеко не всё, что удалось получить при помощи электронных лучей. Так же, как при помощи световых лучей получают изображения в отражённом или проходящем свете, так и при помощи электронов удалось получить изображения в отражённых и в проходящих электронных лучах. Оказалось, что так же, как световые лучи, электронные лучи могут отражаться, поглощаться и даже проходить через тонкие слои твёрдого вещества.
Однако для того чтобы понять, как всё это было использовано для получения изображений в электронных лучах, надо познакомиться прежде с тем, как устроены электронные ли нз ы .
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ЛИНЗЫ
Между световыми и электронными лучами имеется сходство. И те и другие лучи при определённых условиях распространяются прямолинейно, при помощи тех и других лучей можно получать изображения. Однако между электронными и световыми лучами есть и существенная разница.
Электроны обладают электрическим зарядом и поэтому, в отличие от световых лучей, на электронные лучи действуют электрические и магнитные силы. На этом и основано устройство электронных линз.
Электронные линзы – это весьма странные линзы. Они представляют собой... пустоту (из них выкачан воздух). Проходя через такую линзу, пучок электронов не встречает сопротивления какого-либо вещества. Но что заставляет электронные лучи сходиться в пустоте вместе? Почему пустота обладает такими удивительными свойствами? Потому, что в этой пустоте действуют магнитные или электр ические сил ы , или, как говорят, там существуют сил ь ные магнитные или электрические по ля .
Когда луч света проходит сквозь стеклянную линзу, он под влиянием атомов, из которых состоит стекло, изменяет свое направление, т. е. преломляется. В магнитных или электрических линзах роль стекла выполняют магнитные или электрические силы. Они заставляют электроны отклоняться от первоначального пути, т. е. также преломляться.
Познакомимся поближе с устройством этих линз.
Начнём с линз, в которых преломление электронных лучей осуществляется электрическими силами.
Чтобы ясно представить, каким образом электрические силы могут преломлять электронные лучи, рассмотрим два простых примера.
Возьмём уже знакомую нам электронно-лучевую трубку и пропустим электронный луч между двумя параллельными металлическими пластинками, впаянными в трубку (в электротехнике такое сочетание двух параллельных металлических пластинок называется плоским конденсатором). Когда пластинки не присоединены к источнику электрического напряжения – батарее, электроны пролетают между пластинками не отклоняясь в сторону. Но вот пластинки
присоединены к источнику тока. Тогда одна из них зарядится отр и цательно , а другая – положи тель но . Под влиянием электрических зарядов, собравшихся на пластинках, в пространстве между ними возникнет электрическое поле, т. е. возникнут электрические силы. Эти силы будут действовать на любой электрический заряд, попавший в пола. Посмотрите теперь, что случится с электронным лучом, который войдёт в электрическое поле плоского конденсатора. Отталкиваемые верхней пластинкой – ведь электроны – это частички отрицательного электричества – и притягиваемые нижней, электроны движутся здесь уже не прямо, а по кривой линии, – так, как летит брошенный
камень.
Упасть на нижнюю пластинку электроны не успевают – они имеют слишком большую скорость.
Таким образом под действием электрического поля электронный луч изменит направление своего движения, т. е. преломится (рис. 9).
увеличительное стекло: он преломляет электронные лучи.
Представьте себе теперь, что вместо одного конденсатора взято два, расположенных один над другим. Одна пластинка – средняя – у них общая (рис. 10). Она заряжена положительно. Две крайние – заряжены отрицательно. Пропустим теперь один электронный луч через верхний конденсатор, а другой через нижний и притом так, чтобы один электронный луч шёл в точности над другим. В этом случае электронный луч, прошедший через верхний конденсатор, отклонится вниз, а электронный луч, прошедший через нижний – вверх. В результате на некотором расстоянии от конденсаторов электронные лучи сойдутся вместе.
Таким образом двойной конденсатор действует на электроны так же, как действует на световые лучи
Однако два конденсатора, расположенные один над другим, – далеко не совершенная линза для электронных лучей. Но вот, оказывается, если пропустить электроны не вдоль пластинок двойного конденсатора, а сквозь них – через специальные, сделанные для этой цели, небольшие отверстия – то в этом случае электрическое поле двойного конденсатора будет действовать на электронные лучи совсем как настоящая линза (рис. 11). Собирающее действие такой электроста тической линзы («статика» значит
«покой», «равновесие»; в нашем случае в покое находятся электрические заряды пластин конденсатора) основано на том, что чем дальше от оси входит в линзу электронный луч, тем больше под действием электрических сил он пригибается к оси, т. е. тем сильнее преломляется.
Поместим теперь перед электростатической линзой предмет, испускающий электроны, и мы получим его увеличенное или уменьшенное изображение – в зависимости от расстояния предмета до линзы. Это изображение можно увидеть на флюоресцирующем экране или
сфотографировать. Именно так и были устроены первые микроскопы с электростатическими линзами.
Электростатическая линза тем сильнее преломляет электронные лучи, чем меньше скорость электронов, чем выше электрическое напряжение, приложенное между её пластинками, и чем ближе они расположены друг к другу. Так, например, для получения электростатических линз, дающих увеличение в несколько десятков раз, берутся напряжения в десятки тысяч вольт при расстоянии пластинок друг от друга всего в несколько миллиметров.
На рисунке 12 изображён схематический поперечный разрез электростатической линзы большой преломляющей
силы. Она называется одино ч ной .
На рисунке 13 показан ход электронных лучей в другой электростатической линзе. Эта линза состоит не из плас тино к , а из цилиндров , расположенных вдоль одной оси. Цилиндры соединены с источником напряжения, в них действуют электрические силы. В отличие от первой
линзы, линза, изображённая на рисунке 13, не только собирает электронные лучи, но ещё и ускоряет их. Такого типа линзы употребляются в различных электронно- лучевых трубках и в электронных микроскопах для того, чтобы получить направленные узкие пучки электронов, вылетающих из раскалённой нити сильно расходящимся пучком. Накалённая нить, испускающая электроны, и два (или больше) цилиндра, которые одновременно и собирают электронные лучи и сообщают им большую
скорость, получили все вместе образное название – «элек тронно го прожектора » или, как уже говорилось,
«элек тро нной пу шки ».
МАГНИТНЫЕ ЛИНЗЫ
Рассмотрим теперь маг н итные линзы . Подобно телам, заряженным электричеством, магниты тоже создают вокруг себя поле сил – магнитно е поле . Это поле можно сделать «видимым», если насыпать вокруг магнита, лежащего на стекле, железные опилки. При лёгком встряхивании стекла опилки, под действием магнитных сил,
расположатся вдоль определённых линий, сделав их как бы видимыми (рис. 14). Такие линии называются сил о выми лин и ям и , т. е. линиями, вдоль которых действуют магнитные силы.
Магнитное поле создаётся не только при помощи естественных или искусственных магнитов, представляющих собой куски железа. Оно создаётся также электрическим током. Чтобы в этом убедиться, поднесите к проводу, по которому идёт электрический ток, компас. Вы увидите, что стрелка компаса отклоняется. Особенно сильное магнитное поле создают проводники, намотанные в виде многослойных спиралей. Их называют катуш к ами . В этом случае силовые линии идут почти параллельным потоком внутри катушки; выходя из неё, они расходятся «веером» и затем смыкаются друг с другом (рис. 15).
Чем сильнее ток, который проходит через катушку, и чем больше в ней витков, тем сильнее её магнитное поле.
Это поле можно ещё значительно усилить, если поместить внутри катушки железный сердечник. В этом случае магнитное поле тока намагнитит железный сердечник и в результате магнитное поле катушки усилится во много раз.
Магнитное поле действует не только на магнитные стрелки и железные опилки, оно действует и на проводники, по которым идёт электрический ток. Это явление нашло себе
широчайшее практическое применение. Примером этого являются электромоторы. Вращение валов моторов объясняется как раз действием магнитного поля на уложенную в пазы якоря обмотку, по которой идёт ток.
Но ведь ток, идущий по проводнику, представляет собой движение электронов. И если магнитное поле действует на электроны, движущиеся в проводнике, то почему оно не может действовать на электроны, которые движутся свободно, например, на электроны, пролетающие в разреженном пространстве электронно-лучевой трубки.
Так в действительности и происходит. Электронные лучи отклоняются в трубке под действием магнитного поля в сторону. Рассмотрим это интересное явление ближе.
Расположим катушку с током, которая создаёт магнитное поле, так, как это изображено на рисунке 16. На рисунке показано, как изменил электронный луч, проходящий через магнитное поле, направление своего движения. Электронный луч изогнулся. Таким образом под действием магнитного поля, направленного перпендикулярно к движению электронов, электроны движутся по
окружности. Это значит, что электронные лучи «преломляются».
Преломляющее действие магнитного поля на электронные лучи оказывается тем более сильным, чем сильнее магнитное поле и чем меньше скорость электронов в
электронном луче. Это значит, что в случае, изображённом на рисунке, искривление электронного луча будет тем больше, чем сильнее магнитное поле и чем медленнее летят электроны. Когда магнитные силы направлены перпендикулярно к движению электронов, электронный луч искривляется сильнее всего. Именно этот случай и показан на рисунке 16. Но любое, даже самое сильное магнитное поле совсем не действует на электроны, которые летят строго вдоль магнитных силовых линий.
Что же, однако, будет, если электроны влетят в магнитное поле не перпендикулярно к нему, но и не вдоль него, а под некоторым промежуточным углом?
Чтобы осуществить этот наиболее важный для нас случай, расположим электронно-лучевую трубку не поперёк, а вдоль оси катушки, создающей магнитное поле, т. е. «запрячем» электронно-лучевую трубку внутрь катушки. В этом случае внутри катушки окажется и место вылета расходящегося пучка электронов (отверстие в аноде), и место их падения на флюоресцирующий экран.
До включения тока в катушке, т. е. до создания внутри неё магнитного поля, электронные лучи будут падать на флюоресцирующий экран расходящимся пучком, давая там сравнительно широкое светящееся пятно. Стоит, однако, пустить в катушку ток и соответствующим образом подобрать его силу, как это пятно превратится в узенькое пятнышко.
Что же сделало с расходящимся электронным пучком магнитное поле катушки? Оно собрало электронные луч и в од ну точку , т. е. подействовало так, как действует на расходящийся пучок световых лучей стеклянная
линза. Электроны, влетающие в магнитное поле катушки расходящимся пучком, движутся в нём по винтовым линиям, как бы ввинчиваясь в магнитное поле.
Таким образом когда электрон влетает в магнитное поле под углом к направлению силовых линий, он
«навинчивается» на них, одновременно совершая и круговое, и поступательное движение, т. е. двигаясь по спирали (рис. 17). Место же пересечения друг с другом спиралей будет одним и тем же для всех электронов, вышедших из одной точки, независимо от того, под каким углом они влетают в магнитное поле катушки (лишь бы эти углы были малы). Но это значит, что электроны, вылетевшие из какой-либо точки предмета, затем, под действием магнитного поля, в определённом месте снова соберутся в одну точку. Иначе говоря, вы получите «электронное» изображение соответствующей точки предмета. Вот почему катушка, по которой течёт ток, является для электронных лучей магнитной линзой. Однако если катушка достаточно длинна, то она является мало полезной линзой. Она только собирает электронные лучи,
но ещё не даёт увеличения. Если поместить внутри длинной катушки предмет, испускающий электроны, то она даст изображение этого предмета по величине равное самому предмету.
Но магнитную линзу можно сделать и увеличивающей. Для этого нужно взять не длинную, а короткую катушку, но сохранить у нее большее число витков. В такой катушке магнитное поле будет и достаточно сильным (большое число витков) и, что важно, сосредоточенным на небольшом пространстве.
Собирающее действие короткой магнитной линзы на расходящийся пучок электронных лучей объясняется тем, что чем дальше от оси они входят в линзу, тем сильнее их закручивает и пригибает к оси магнитное поле.
Увеличивающее же действие этой линзы объясняется тем, что, проходя через магнитное поле, сосредоточенное в небольшом пространстве, электроны успевают описать только часть спирали; поэтому они вылетают из линзы, сильно отклонившись в сторону от первоначального направления движения, и изображение точки предмета получится дальше от оптической оси магнитной линзы, чем находится точка самого предмета. Тем самым получится увеличенное изображение предмета.
Магнитная линза тем сильнее преломляет электронные лучи, и, следовательно, даёт тем большее увеличение, чем сильнее магнитное поле, чем на меньшем пространстве оно сосредоточено и, наконец, чем меньше скорость
электронов.
Поместите теперь перед магнитной линзой предмет, испускающий электроны, и вы получите при её помощи увеличенное или уменьшенное изображение предмета (в зависимости от расстояния предмета до линзы). И если только электроны имеют достаточную скорость, это изображение можно увидеть на флюоресцирующем экране или сфотографировать. Именно так и были устроены первые электронные микроскопы с магнитными линзами.
На рисунке 18 изображена магнитная линза с железным сердечником или, как его называют, панцырем .
Как видно из рисунка, катушка, по которой течёт ток, действительно заключена в железный панцырь. Он состоит из двух железных цилиндров, внутреннего и наружного, и двух
железных оснований, соединяющих боковые цилиндры. Магнитное ноле, создаваемое током катушки и усиленное намагнитившимся железом сердечника, сосредоточивается в этом случае почти целиком внутри железного панцыря. Силовые магнитные линии, подобно подземной реке, совершают весь свой путь внутри панцыря, почти нигде не выходя наружу.
Сделаем теперь узкий кольцевой вырез во внутреннем цилиндре (рис. 18). Тогда в этом месте «подземная» магнитная река «выйдет» наружу. Магнитное поле в вырезе и в непосредственной близости от него будет очень сильным. Вместе с тем, так как вырез узкий, магнитное поле будет одновременно и сосредоточенным в небольшом пространстве.
Панцырная магнитная линза, изображённая на рисунке 18, была первой магнитной линзой, позволившей учёным получать сильно увеличенные электронные изображения предметов.
Вскоре была изобретена магнитная линза ещё большей силы. Это так называемая линза с пол ю с н ы м и
наконеч н иками . Она изображена в разрезе на рисунке 19. Как видите, это тоже панцырная линза, но имеющая наконечники специальной формы. Они сделаны из особого сорта железа. В линзе с наконечниками магнитное поле, действующее на электроны, является особенно сильным и сосредоточенным на очень небольшом пространстве. Изобретение магнитной линзы с полюсными наконечниками сделало, наконец, возможным создание первых электронных микроскопов большой разрешающей силы и огромного увеличения (до 200 тысяч раз).
Основное преимущество магнитной линзы по сравнению с электростатической заключается в лёгком
регулировании её увеличивающей силы. В то время как в электростатической линзе для этого нужно изменять трудно управляемое высокое напряжение или включать одну за другой несколько линз, в магнитной линзе нужно только изменить ток, питающий её катушку. Так как этот ток никогда не бывает больше 2 – 3 ампер, такое регулирование не представляет никаких трудностей.
Преимущество магнитных линз заключается также и в том, что они не боятся электрического пробоя. Напряжение, питающее током катушку магнитных линз, составляет всего 60 – 100 вольт, тогда как на пластинки одиночной электростатической линзы подаётся напряжение в 50 000 вольт. Это нередко приводит к пробою.
ПЕРВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ МИКРОСКОПЫ С ЛИНЗАМИ
Первые электронные микроскопы, построенные учёными, были микроскопами, в которых рассматривали только те предметы, которые сами излучали электроны. Такие микроскопы называются эмиссионным и . На рисунке 20 показан схематический разрез первого эмиссионного микроскопа, содержавшего две магнитные линзы. Первая из них служила объективом и давала увеличенное изображение предмета, испускающего электроны. Далее электронные лучи попадали
во вторую магнитную линзу микроскопа – проекционную линзу. Эта линза давала второе сильно увеличенное изображение предмета, которое уже можно было рассматривать на флюоресцирующем экране и фотографировать.
Хотя первые эмиссионные микроскопы по своей разрешающей силе не превосходили оптические микроскопы, их применение имело большое значение. Эмиссионные электронные микроскопы дали науке много ценных сведений о способности различных
поверхностей испускать электроны под действием тех или иных причин (например, при сильном нагреве и при освещении). На рисунке 21 приведены фотографии, полученные при помощи эмисионных микроскопов, в которых исследуемые поверхности излучали электроны в результате нагрева.
Однако несмотря на всю важность такого изучения свойств поверхностей, эмиссионные микроскопы не получили широкого применения. Главной причиной этого было то, что далеко не всякое тело можно заставить испускать большое
число электронов. Этого нельзя, например, сделать с бактериями и другими живыми организмами.
Поэтому в электронных микроскопах стали использовать постороннее «освещение» электронами – так же, как в оптических микроскопах освещают исследуемый предмет посторонним светом. Были построены электронные микроскопы, работающие на отражённых и на проходящих электронных лучах. Первые из них получили название отражатель н ы х , вторые – просвечивающих .
Отражательные электронные микроскопы основаны на том, что электронные лучи, падая на исследуемую поверхность, по-разному отражаются в разных точках её, в зависимости от строения поверхности. Отражённые электроны попадают затем в линзы микроскопа и дают увеличенное изображение изучаемой поверхности (рис. 22).
просвечиваемого электронами?
Однако наибольших успехов удалось добиться с помощью электронных микроскопов, работающих не с отражёнными, а с проходящими электронными лучами.
Каким образом получается изображение предмета,
В просвечивающем электронном микроскопе получение изображений основано на различном рассея н ии электронных лучей, проходящих через предмет и плёнку, на которой лежит предмет. Проходя через тонкую плёнку
вещества, пучок быстрых электронов рассеивается в стороны подобно тому, как рассеивается пульверизатором струя одеколона.
Причиной рассеяния электронов являются их столкновения с атомами вещества. Изучение рассеяния электронов показало, что чем плотнее вещество и чем толще его слой, – тем больше в нём рассеиваются летящие электроны.
Пока плёнка, на которой лежит предмет, имеет всюду одинаковую толщину и на ней не лежат никакие посторонние частицы, падающие электроны испытывают во всех участках плёнки совершенно одинаковое рассеяние. Но как только на плёнку помещаются бактерии, металлические частицы или что-нибудь подобное, картина сразу меняется. Рассеяние электронов в тех местах, где лежат частицы, становится больше. Оно тем сильнее, чем толще частицы и чем они плотнее.
Однако для получения изображения предмета этого ещё недостаточно. В самом деле: хотя мы и получили в разных участках рассматриваемого предмета по-разному рассеянные электроны, однако число электронов, выходящих из различных участков плёнки и предмета, остаётся совершенно одинаковым. Ведь поглощения электронов в плёнке и предмете не происходит. А раз это так, то после того, как следующая – объективная – линза соберёт вместе рассеянные электронные лучи, вы получите одинаково яркое во всех точках свечение флюоресцирующего экрана (или почернение фотопластинки). Иными словами, вы не увидите изображения предмета.
Чтобы получить изображение, нужно сделать так, чтобы количество электронов, проходящих через объективную линзу от от ли ч н ых друг от дру г а участков рассматриваемого предмета, было разным. В этом случае более плотным и более толстым участкам предмета будут соответствовать и более тёмные точки изображения, т. е. возникнут контрасты, необходимые для получения изображения. Но как это сделать? Для этой цели служит так называемая апертурная диафрагма . Она представляет собой маленький металлический диск, имеющий в центре круглую дырочку диаметром в сотые доли миллиметра. Материалом для диафрагмы служит какой-нибудь немагнитный металл, например, платина или медь.
Апертурная диафрагма помещается между полюсными наконечниками объективной линзы микроскопа, так, что её центр совпадает с осью линзы.
Рисунок 23 показывает, что в этом случае происходите рассеянными электронами.
Они не выходят из объективной линзы! Апертурная диафрагма не пропускает через линзу те электроны, которые, вследствие рассеяния, не попадают в её отверстие. Чем больше угол, на который рассеиваются электроны, тем меньше, благодаря узкой диафрагме, пройдёт их через объективную линзу. А угол рассеяния электронов тем больше, чем толще и плотнее участок предмета. Таким образом благодаря различному рассеянию электронных лучей и действию апертурной диафрагмы, через объективную линзу будет проходить от различных участков предмета разное количество электронов. А это и требуется для того, чтобы получить контрастное изображение предмета.
Апертурная диафрагма необходима и для другой цели, для «исправления» электронных линз. Дело в том, что в электронных линзах, как и в оптических, имеется сферическая аберрация (см. стр. 11). Этот недостаток электронных линз и исправляется при помощи узкой диафрагмы. Она пропускает электронные лучи только в центральную, наиболее «совершенную» область линзы.
Как же устроены электронные микроскопы, работающие на просвечивание?
ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП, РАБОТАЮЩИЙ НА ПРОСВЕЧИВАНИЕ
По расположению линз и ходу лучей этот электронный микроскоп очень похож на проекционный оптический микроскоп. В зависимости от того, из каких линз
– электростатических или магнитных – собран микроскоп, различают электростатические и магнитные микроскопы.
Все основные детали этих микроскопов сделаны из металла. Отдельные части микроскопа хорошо пригнаны друг к другу и собраны в колонну; внутри неё можно с
помощью специальных насосов получить разреженное пространство – ваку ум («вакуум» значит «пустота»).
Рассмотрим подробно устройство магнитного электронного микроскопа (см рис. 24, 25 и 26) и проследим в нём весь путь электронов от накалённой нити электронной пушки до флюоресцирующего экрана или фотопластинки.
Вылетев из нити, электроны разгоняются высоким электрическим напряжением, приложенным между катодом (нитью) и анодом (цилиндром) электронной пушки. Слабо расходящийся пучок электронов, вышедший из электронной пушки, попадает сперва в конденсорную линзу. Эта линза представляет собой магнитную линзу с железным панцырем, но без специальных наконечников. Конденсорная линза сводит слабо расходящийся пучок электронов прямо на рассматриваемом предмете, находящемся в камере объекта микроскопа (см. рис. 25).
Чаще всего исследуемый предмет лежит на тончайшей плёнке особого вещества – колло ди я , а сама плёнка помещается на очень частой металлической сетке или на специальном маленьком металлическом диске с узким отверстием посредине.
Толщина плёнки коллодия равна всего 1/1 000 000 доле сантиметра. Поэтому такая плёнка вместе с лежащим на ней исследуемым предметом является почти совершенно прозрачной для электронных лучей тех скоростей, которые используются в электронных микроскопах (50 – 100 тысяч вольт). Лучи проходят через плёнку не задерживаясь, а рассеиваясь в ней, и затем падают на объективную линзу.
Объективная линза, собрав расходящиеся электронные лучи, даёт первое увеличенное изображение предмета. Это изображение называется пр омежуточ ным . В большинстве существующих конструкций электронных микроскопов промежуточное изображение можно наблюдать на специальном промежуточном флюоресцирующем экране. Наблюдение промежуточного изображения ведётся через специальные стеклянные оконца в металлический трубке микроскопа. В самом центре промежуточного экрана сделано маленькое отверстие. В него, как через «люк»,
«проваливаются» вниз электроны, упавшие как раз на отверстие. Таким образом только небольшая часть первого увеличенного изображения, равная отверстию промежуточного экрана, служит «предметом» для последней – проекционной – линзы микроскопа.
Как и объективная линза, проекционная линза снабжена апертурной диафрагмой с малым отверстием. Она даёт второе увеличенное изображение предмета, или, вернее, той его части, которая пришлась на отверстие в промежуточном экране. Изображение, даваемое проекционной линзой, принимается на флюоресцирующий экран. Он расположен почти в самом низу микроскопа, где также имеются специальные стеклянные оконца (рис. 25).
На нижнем флюоресцирующем экране микроскопа наблюдатель видит окончательное изображение предмета.
Простым поворотом ручки экран отводится в сторону и открывает электронам дорогу к фотографической пластинке. Она заключена в самую нижнюю часть колонны микроскопа – в фотокамеру.
Фотокамера электронного микроскопа представляет собой металлический ящик, куда, как в фотоаппарат, закладываются фотопластинки.
Что представляет собой флюоресцирующий экран? Он состоит из слоя минерала виллемита или сернистого цинка, нанесённого на металлическую пластинку. При наблюдении в лупу видно, что этот слой состоит из отдельных мельчайших частичек, плотно прилегающих друг к другу. Каждая из них начинает светиться только в том случае, если на неё попадают электронные лучи. Но если электроны попадают даже на одну половину одной и той же частицы, она начинает светиться вся. Таким образом ясно, что чем мельче частицы, из которых состоит флюоресцирующий экран, тем больше подробностей мы можем увидеть в изображении.
Такие же требования, как к флюоресцирующим экранам, предъявляются в электронных микроскопах и к фотопластинкам. Размер тех мельчайших светочувствительных зёрен, из которых состоит фотослой всякой пластинки, должен давать возможность получать изображение частиц размером в разрешаемое расстояние, увеличенных линзами микроскопа до той или иной величины-
Существующие типы фотопластинок позволяют различать, как раздельные, точки изображения размером в сотые доли миллиметра.
Конечно, самое простое было бы получать такое увеличение, которое давало бы возможность брать крупнозернистые пластинки. Но для этого надо делать очень большой длину колонны микроскопа, так как в электронных микроскопах, так же как в оптических, увеличение предмета тем больше, чем дальше расположены друг от
друга объективная и проекционная линзы. Можно, однако, пойти по другому пути: пользоваться меньшими увеличениями в электронном микроскопе, но, употребляя мелкозернистые пластинки, прибегать ещё к дополнительному оптическому увеличению. Например, если изучаемые частицы, размером в разрешаемое расстояние, будут увеличены линзами электронного микроскопа до величины в 0,02 миллиметра, то при дополнительном оптическом увеличении в 10 раз мы получим оконча те льное полезное увеличение. Таким образом полезное увеличение электронного микроскопа – это произведение двух увеличений: увеличения, даваемого линзами микроскопа, т. е. электронного увеличения, и увеличения, даваемого фотоувеличителем, т. е. оптич е ского увеличения. Электронное увеличение, даваемое лучшими современными микроскопами, равно 20 000 – 40 000 раз (при высоте колонны, примерно, в один метр). Последующее оптическое увеличение равно 4 – 5 раз. Это даёт возможность получать полезные увеличения в электронном микроскопе в 100 000 – 200 000 раз!
Мы рассказали об устройстве магнитного электронного микроскопа. Примерно так же устроен и электростатический микроскоп. Несмотря на некоторое сходство в действии электронных и оптических микроскопов, внешне они совсем не похожи друг на друга.
Оптический микроскоп – это небольшой и сравнительно лёгкий прибор; его легко можно перенести с места на место одному человеку.
Электронный микроскоп – это массивный и тяжёлый аппарат, выше человеческого роста. На рисунке 24 видно, что колонна микроскопа стоит на столике. Этот столик является как бы выступом большого шкафа, стоящего позади колонны микроскопа. На передней вертикальной стенке столика обычно размещены различные ручки. Посредством этих ручек можно включать и выключать электрический ток, питающий различные части микроскопа: электронную пушку, линзы, насосы, а также изменять напряжение, разгоняющее электроны.
Высокое напряжение, разгоняющее электроны в электронной пушке, должно оставаться строго постоянным, не снижаясь и не повышаясь под влиянием случайных причин. Это необходимо, потому что малейшее изменение скорости электронов влечёт за собой изменение их преломления в линзах, а это приводит к потере резкости и, следовательно, к потере разрешающей силы. Например, чтобы заметно не повредить разрешающей силе микроскопа, ускоряющее напряжение в 100 000 вольт не должно меняться в ту или другую сторону больше, чем на 10 вольт! Чтобы получить высокое напряжение такого постоянства, прибегают к довольно сложным специальным устройствам. Не менее серьёзные требования предъявляются и к токам, питающим катушки магнитных линз. Даже незначительные изменения в этих токах влекут за собой изменение преломляющей силы линз; в результате уменьшается резкость изображения, а следовательно, уменьшается и разрешающая сила.
Хорошие современные электронные микроскопы позволяют видеть частицы размером в 5/10 000 000 – 2/10 000 000, а в отдельных случаях и в1/10 000 000 долю сантиметра. Такое разрешение даёт возможность видеть крупные молекулы. Понятно, что при таком разрешении на работе электронного микроскопа сказываются уже самые незначительные помехи. Например, подобной помехой является влияние на электроны различного рода внешних магнитных полей – полей трансформаторов, моторов и даже магнитное поле Земли. От этих полей не спасают даже толстостенные железные стенки колонны микроскопа. Чтобы защитить электронные лучи микроскопа от их действия, внутри колонны вставлены специальные трубки, сделанные из сильного магнитного материала – пермалло я .
Помехой также является даже лёгкая и неуловимая глазом тряска микроскопа. Чтобы предотвратить или, по крайней мере, уменьшить тряску, электронный микроскоп делают очень массивным и устанавливают на особом фундаменте.
Какие же из двух ныне существующих типов электронных микроскопов лучше – электромагнитные или электростатические?
Наибольшее распространение получили в настоящее время электромагнитные микроскопы. Они обладают большей разрешающей силой, их линзы не боятся электрического пробоя. В эти микроскопы можно увидеть частицы в 7 – 10 раз меньше, чем в электростатические.
Как правило, электромагнитные микроскопы рассчитаны на 50 – 100 тысяч вольт. Однако в отдельных случаях для специальных целей строятся электромагнитные микроскопы и на 200 и даже на 300 тысяч вольт! Таких напряжений нельзя добиться в электростатических микроскопах, ввиду пробоя, неизбежного при столь высоких напряжениях в электростатических линзах. Тем самым электромагнитные микроскопы имеют ещё одно преимущество перед электростатическими: при их помощи можно изучать на просвет более толстые плёнки.
В заключение расскажем немного о так называемых малог а баритны х микроскопах. Мы уже сказали, что электронные микроскопы большей разрешающей силы позволяют видеть частицы размером в 2/10 000 000 – 1/10 000 000 долю сантиметра и дают тем самым возможность получить полезное увеличение до 100 – 200 тысяч раз. Однако для практики часто необходимо увеличение предмета лишь в 15 – 20 тысяч раз. Для получения такого увеличения можно расположить электронные линзы значительно ближе друг к другу, чем в более сильных электронных микроскопах. Именно так и устроены малогабаритные микроскопы. Их общая высота обычно не превышает 25 – 30 сантиметров. Эта величина уже совсем близка к размерам оптических микроскопов. Но, конечно, и для малогабаритных микроскопов требуются источники высокого напряжения, насосы для откачки воздуха и всё остальное.
ПОЧЕМУ ЭЛЕКТРОННЫЕ МИКРОСКОПЫ ИМЕЮТ ГРАНИЦЫ ВИДИМОСТИ
Итак, с помощью быстро летящих электронов удалось увидеть частицы размером в 1/10 000 000 долю сантиметра! По объёму такая частица равна примерно 40 атомам железа. Однако увидеть в электронные микроскопы более мелкие частицы уже нельзя.
Почему это так? От чего зависит предел разрешения электронного микроскопа?
Предел разрешения электронных микроскопов зависит от разных причин. Главные из них – это волновая природа электронов и несовершенство электронных линз.
Оказалось, что электронные лучи, как и световые, имеют волновые свойства.
До тех пор, пока размер облучаемых электронами частиц велик по сравнению с длиной волны электронов, можно
«забывать», что электроны подобны волнам, и рассматривать их как поток частичек. Но как только размер частиц становится уже сравнимым с длиной электронных волн, начинает влиять диффракция этих волн, которая и не позволяет видеть частицы, размером меньше полуволны электрона.
Однако, к счастью, длина волн электронов зависит от их скорости. При тех напряжениях, с которыми имеют дело в электронной микроскопии (50 – 100 тысяч вольт), длина электронных волн, примерно, в 100 тысяч раз короче длины волны синего света. Вот в чём секрет того, что если даже рассматривать электроны не как мельчайшие частицы, как мы это делали до сих пор, а как волны, в электронные микроскопы можно видеть значительно меньшие частицы, чем в оптические микроскопы.
Но если электронные волны, с которыми имеют дело в электронных микроскопах, в 100 тысяч раз короче световых волн, то почему же мы видим в электронный микроскоп частицы только в 100 раз меньшие, чем в оптический, а не в 100 тысяч раз?
В этом в значительной степени виноваты электронные линзы. Недостатки электронных линз ещё слишком велики, чтобы при их помощи можно было получить большее разрешение. Поэтому нет сомнения, что когда научатся делать более совершенные электронные линзы, разрешающая сила электронных микроскопов значительно увеличится.
ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО МИКРОСКОПА
Электронная микроскопия – очень молодая наука. Её возраст равен всего 15-ти годам. Но за этот небольшой срок она сделала большие успехи. Самых замечательных результатов с помощью электронного микроскопа удалось добиться в биолог ии . И это несмотря на то, что в разреженном пространстве электронного микроскопа в большинстве случаев гибнет всё живое!
Первые работы по применению электронного микроскопа в биологии начались в 1934 году. В этом году учёные попытались увидеть в электронный микроскоп бактерии. Испытав несколько способов, они остановились на самом простом: капельку жидкости, содержащую бактерии, наносили на тончайшую плёнку коллодия. Этот способ часто применяется и поныне.
Что же нового дал электронный микроскоп в изучении бактерий?
Как известно, бактерии представляют собой живые клетки. Но всякая живая клетка содержит внутри себя прото пла з м у и яд ро . Имеет ли бактерия то и другое? Ответить на этот вопрос не удавалось, так как оптический микроскоп не давал возможности хорошо разглядеть бактерию: внутри неё была видна сравнительно однородная масса. И только при помощи электронного микроскопа, наконец, удалось ясно увидеть содержимое бактериальной клетки. На рисунке 27 изображена группа так называемых
стафилококков – возбудителей нагноения. Внутри каждого стафилококка отчётливо видно тёмное образование, резко отличающееся от протоплазмы. Подобные образования, по мнению некоторых учёных, и представляют собой ядра бактериальных клеток.
Однако у других бактерий обнаружить ядро не удалось и с помощью электронного микроскопа. Отсюда учёные сделали заключение, что у таких микробов ядерное вещество растворено во всей протоплазме. Некоторые биологи это объясняют тем, что определённые бактерии, занимающие самую низшую ступень на лестнице живых существ, ещё не успели развиться до разделения протоплазмы и ядра, как это имеет место у большинства живых клеток.
При помощи электронного микроскопа удалось ясно наблюдать деление микробов (рис. 28), отделение протоплазмы от стенок у некоторых бактерий, наличие у многих бактерий длинных тонких жгутиков и многое другое.
На рисунке 29 показан интересный снимок, сделанный в электронном микроскопе: протоплазма бактерии
«покидает» свою оболочку!
Электронный микроскоп помог рассмотреть не только внутреннее строение бактерий. С его помощью удалось увидеть действие на бактерии различного рода сывороток, металлов и их соединений и т. д.
Однако самым замечательным успехом электронного микроскопа в биологии было обнаружение дотоле невидимых микробов, так называемых ультравирусов, фил ь тр ующ и хс я вирусов («вирус» – это значит яд), о существовании которых учёные уже догадывались раньше.
Фильтрующиеся вирусы настолько малы, что их нельзя увидеть в самые сильные оптические микроскопы. Они могут беспрепятственно проходить через мельчайшие поры различных фильтров, например, через фарфоровые, за что и получили название фильтрующихся.
Различные вирусы являются возбудителями опасных болезней у человека, животных и растений. У людей вирусы вызывают такие болезни, как грипп, оспу, бешенство, корь, жёлтую лихорадку, детский паралич. У животных они вызывают бешенство, ящур, оспу и другие болезни. Вирусы поражают картофель,
табак, помидоры, плодовые растения, являясь причиной мозаики, скручивания, сморщивания и отмирания листьев, одеревенения плодов, отмирания целых растений, карликовости и т. п.
К группе фильтрующихся вирусов некоторые учёные относят и так называемых бактерио ф агов – «пожирателей бактерий». Бактериофаг применяется для предупреждения заразных болезней. Различные бактериофаги растворяют и разрушают микробов дизентерии, холеры, чумы, как бы действительно пожирают их.
Что же представляют собой вирусы и бактериофаги? Как они выглядят? Как взаимодействуют с бактериями? Такие вопросы задавали себе многие учёные до появления электронного микроскопа и не могли на них ответить.
Первыми в электронный микроскоп были обнаружены фильтрующиеся вирусы мозаики табака. Они имели форму палочек. Когда их много, палочки проявляют склонность располагаться в правильной последовательности. Это свойство роднит вирусы мозаики табака с теми частицами неживой природы, которые имеют свойство образовывать кристаллы.
Вирусы гриппа при рассмотрении в электронный микроскоп выглядят, как очень маленькие округлые тельца. Также выглядят вирусы оспы.
После того как вирусы стали видны, появилась возможность наблюдать и
действие на них различных лечебных препаратов. Так, учёные наблюдали действие на вирусы мозаики табака и помидоров двух сывороток. От одной из них происходит свёртывание только ультравирусов мозаики табака, вирусы же мозаики помидоров остаются невредимыми; от другой – наоборот.
Не менее интересные результаты дало изучение с помощью электронного микроскопа и пожирателей бактерий – бактериофагов. Было найдено, что некоторые бактериофаги представляют собой мельчайшие круглые тельца с длинным хвостом – фаги. Размер фагов составляет всего 5 миллионных долей сантиметра. Их смертоносное действие на бактерию заключается в том, что под действием «присосавшихся» к ней бактериофагов бактерия лопается и погибает. На рисунке 30 изображены фаги дизентерийных микробов в момент «атаки». На рисунке видно, как просветлела и начала распадаться левая часть дизентерийного микроба.
Применяется электронный микроскоп и для изучения более сложных организмов, чем бактерии и вирусы.
Мы уже говорили, что все живые
организмы
гибнут в сильно разреженном пространстве электронного микроскопа. Этому также способствует сильный нагрев предмета, вызванный, главным образом, бомбардировкой электронами диафрагмы или сетки, на которой лежит предмет. Поэтому все снимки, которые были приведены выше, являются снимками уже мёртвых клеток.
Можно ли, однако, при помощи электронного микроскопа исследовать живые клетки, которые не
боятся разреженного пространства? Выдержат ли они сильную бомбардировку электронами?
Ответ на этот вопрос дают опыты, произведённые с некоторыми спор оносными бактериями, обладающими особенно сильной сопротивляемостью по отношению к влаге и теплу. При исследовании в электронном микроскопе эти бактерии помещались на плёнку окиси алюминия, которая более прочна в механическом отношении, чем коллодиевая, и поэтому выдерживает больший нагрев. Бактерии подвергались просвечиванию электронными лучами, скорость которых достигала 180 тысяч электрон-вольт. После исследований в электронном микроскопе бактерии помещались в питательную для них среду и тогда споры прорастали, давая начало новым бактериальным клеткам. Споры гибли только тогда, когда сила тока была больше определённого предела.
Изучая с помощью электронного микроскопа различные клетки организмов, учёные столкнулись с таким явлением, когда наблюдаемая частица имеет малую величину и состоит из неплотного вещества, так что рассеяние в ней электронов мало отличается от рассеяния электронов в тех местах плёнки, где частицы нет. Между тем, как вы видели, именно различным рассеянием электронов объясняется возможность получить изображение частиц на
флюоресцирующем экране или фотопластинке. Каким же образом усилить рассеяние электронных лучей на небольших частицах, имеющих малую плотность, и сделать их, тем самым, видимыми в электронный микроскоп?
Для этого в самое недавнее время предложен очень остроумный способ. Сущность этого способа – его называют теневым – поясняется на рисунке 31. Слабая струя распыляемого металла в разреженном пространстве падает под углом на исследуемый предмет – препарат. Распыление ведётся нагревом куска металла, например, хрома или золота, в раскалённой током спирали из вольфрамовой проволоки. В результате наклонного падения, атомы металла покрывают выпуклости рассматриваемого предмета (например, частицы, лежащие на плёнке) в большей степени, чем впадины (пространство между частицами). Таким образом, на верхушках выпуклостей оседает большее количество атомов металла и они образуют здесь своего рода металлические шапочки (тюбетейки). Этот дополнительный слой металла, осевший даже на таких незначительных выступах, какими являются бактерии или фильтрующиеся вирусы, и даёт дополнительное рассеяние электронов. Кроме того, благодаря большому наклону летящих атомов металла, величина «тени» может быть значительно больше чем размер частицы, отбрасывающей тень! Всё это позволяет видеть в электронный микроскоп даже очень маленькие и лёгкие частицы. На рисунке 32 изображён снимок вирусов инфлуэнции, полученный по этому многообещающему методу. Каждый из шариков, который виден на рисунке, представляет собой не что иное, как большую молекулу!
Широкое применение нашёл себе электронный микроскоп в химии и физике. В органической химии при помощи электронного микроскопа оказалось возможным увидеть крупные молекулы различных органических веществ – гемоглобина, гемоцианина и др. Размер этих молекул 1 – 2 миллионных доли сантиметра.
Следует заметить, что наименьший диаметр частиц органических веществ, которые могут быть ещё обнаружены в электронный микроскоп, определяется не только разрешающей силой микроскопа, но также и контрастностью этих частиц. Может оказаться, что частицу нельзя будет обнаружить только потому, что она не даст заметного рассеяния электронов. Способ усиления контрастности напылением металла помог и здесь. На рисунках 33 и 34 приведены две фотографии, на которых ясно видна разница между обычным методом и теневым» Необходимая контрастность препарата была достигнута в этом случае боковым напылением хрома.
Большие успехи были достигнуты при помощи электронного микроскопа и в неорганической химии. Здесь изучались мельчайшие частички, так называемые колло иды , всякого рода металлические пыли, копоти и т. п. Удалось определить форму и размер этих частиц.
В электронный микроскоп изучается состав глин, строение хлопка, шёлка, каучука.
Особо следует остановиться на применении электронного микроскопа в металлургии. Здесь было изучено строение поверхностей металлов. Первоначально казалось, что изучение этих поверхностей у толстых металлических образцов возможно только при помощи эмиссионных или отражательных электронных микроскопов. Однако остроумными приёмами удалось научиться исследовать поверхности толстых кусков металла... в проходящих электронных лучах! Это оказалось возможным сделать при помощи так называемых реплик .
Репликой называется копия интересующей нас поверхности металла. Она получается путём покрывания поверхности металла слоем какого-либо другого вещества, например, коллодия, кварца, окисла того же металла и т. д. Отделяя затем специальными способами этот слой от металла,
вы получаете плёнку, прозрачную для электронов. Она является более или менее точной копией поверхности металла (рис. 35). Пропуская затем через такую тонкую плёнку пучок электронных лучей, вы получите в разных её местах разное рассеяние электронов. Это объясняется тем, что, благодаря неровностям плёнки, путь электронов в ней будет разным. На флюоресцирующем экране или фотопластинке в светотенях различной яркости получится изображение поверхности металла!
На рисунке 36 приведена фотография такой поверхности. Кубы и параллелепипеды, которые видны на фотографии, представляют собой изображение мельчайших кристалликов алюминия, увеличенных в 11 тысяч раз.
Исследование плёнок окисла алюминия показало, между прочим, что эти плёнки совершенно лишены отверстий. Быстрые электроны проходят эти плёнки, прокладывая себе путь между атомами и молекулами, и, таким образом, не разрушают плёнку. Более крупным и более медленным
частицам, например, молекулам кислорода, путь через такую плёнку оказывается совершенно закрытым. Этим и объясняется замечательная устойчивость алюминия против коррозии , т. е. против разъедающего металл действия окисления. Покрывшись тонким слоем окисла, алюминий тем самым закрывает доступ к себе молекулам кислорода извне – от воздуха или воды – и предохраняет себя от дальнейшего окисления.
Совершенно другую картину дают электронно-микроскопические исследования слоев окисла железа. Оказывается, что плёнки окислов железа буквально испещрены отверстиями, через которые могут легко проникать молекулы кислорода и, соединяясь с железом, разъедать его (т. е. окислять) всё глубже и глубже, образуя ржавчину.
Так, в особенностях строения плёнок окислов алюминия и железа оказался скрытым секрет стойкости алюминия и нестойкости железа против коррозии.
В последнее время разработан следующий способ получения реплик, дающий особенно хорошие результаты. К
изучаемой поверхности металла под большим давлением (250 атмосфер!), при температуре 160 градусов, прижимают порошок особого вещества – пол и с т ир ола . После застывания полистирол образует сплошную массу. Затем металл растворяют в кислоте, и полистироловый слой отделяется. На той его стороне, которая была обращена к металлу, благодаря большому давлению при нанесении слоя, запечатлеваются все мельчайшие неровности поверхности металла. Но при этом выпуклостям поверхности металла
соответствуют впадины на
поверхности полистирола и наоборот. Затем на полистирол особым способом наносится тонкий слой кварца. Отделяя этот слой от полистирола, вы будете иметь на нём
отпечатанными выпуклости и вогнутости, соответствующие уже в точности выпуклостям и вогнутостям металлической поверхности. Электроны, проходя через кварцевую реплику, будут, поэтому, по-разному рассеиваться в разных её участках. Тем самым на флюоресцирующем экране или фотопластинке будет воспроизведено строение поверхности металла. Такие плёнки дают замечательную контрастность.
В других репликах контрастность усиливают уже знакомым нам методом
напыления металла,
падающего на
поверхность реплики (например, коллодиевой) под углом и покрывающего выпуклости больше, чем впадины.
Техника реплик
может быть применена и для изучения поверхностей готовых металлических изделий, например, деталей машин, а также для изучения различных органических препаратов.
В самое недавнее время при помощи реплик учёные стали изучать строение костных тканей.
При определённых условиях в электронный микроскоп могут непосредственно изучаться и предметы, непрозрачные для электронов. Положите, например, в микроскоп кусочек лезвия безопасной бритвы, но так, чтобы он не полностью закрывал электронам дорогу к объективной линзе. Вы увидите теневое изображение острия лезвия (рис. 37). При увеличении в 5 тысяч раз оно совсем не такое ровное, каким его видят даже в оптический микроскоп.
Таковы первые успехи электронного микроскопа.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Электронный микроскоп – замечательное орудие современного научного исследования. При его помощи, как вы убедились, учёным удалось открыть много нового и важного. Однако можно без преувеличения сказать, что у электронного микроскопа ещё всё находится впереди. Не случайно поэтому в Законе о пятилетнем плане восстановления и развития народного хозяйства СССР на 1946 – 1950 гг. говорится: «...Освоить производство электронных микроскопов и внедрить их в научно-исследовательские институты».
Начало этому положено. В различных научных лабораториях нашей Родины уже имеется значительное количество электронных микроскопов разных систем и в
том числе – системы советских учёных – академика А. А. Лебедева, В. Н. Верцнера и Н. Г. Зандина – научных сотрудников Государственного оптического института. Их работа удостоена Сталинской премии.
Нет сомнения, что задача, поставленная пятилетним планом, будет успешно решена, и наши научные институты и лаборатории в ближайшие годы получат первоклассные электронные микроскопы, при помощи которых учёные сумеют открыть новые тайны природы и поставить их на службу человека.
////////////////////////////